Développement de systèmes avancés d’éclairage et d’imagerie pour l’endoscopie médicale par fluorescence

(Image : sofiko14/adobe.stock.com)

Le développement de systèmes d’imagerie endoscopique nécessite une coordination entre diverses disciplines d’ingénierie, en particulier pour les moteurs d’éclairage optique et d’imagerie, en particulier lors de l’ajout de capacités d’imagerie par fluorescence. Les moteurs d'éclairage optique et d'imagerie posent les bases de la création de produits d'imagerie intuitifs et efficaces et deviennent encore plus essentiels lors de l'ajout de fonctionnalités d'imagerie par fluorescence (FI) aux besoins des utilisateurs.

L'IF aide à localiser l'anatomie critique pendant la chirurgie, en utilisant des contrastes systémiques comme l'ICG et la fluorescéine, et des contrastes ciblés comme CYTALUX.1 Pour ce faire, l'IF peropératoire nécessite des considérations de conception de système différentes - et souvent opposées - par rapport à l'endoscopie à lumière blanche.2

L'imagerie par fluorescence en endoscopie présente des défis en raison de la faible intensité du signal et de la complexité matérielle, nécessitant des capteurs sensibles, des filtres optiques spécifiques et des sources d'éclairage à bande étroite de haute puissance. (Image : iStock)

L'IF en endoscopie présente des défis en raison de la faible intensité du signal et de la complexité matérielle, nécessitant des capteurs sensibles, des filtres optiques spécifiques et des sources d'éclairage à bande étroite de haute puissance. Les équipes de développement doivent prendre en compte ces implications techniques lors de la conception de capacités FI dans leurs produits d'endoscopie sans compromettre la fonctionnalité d'endoscopie à lumière blanche. La fonctionnalité FI s'ajoute aux pipelines de traitement du signal d'image, aux spécifications des systèmes embarqués, aux flux de travail de visualisation d'images et à l'ingénierie des facteurs humains. La prise en compte de ces besoins dans la spécification de l'imagerie et de l'éclairage FI pose les bases du développement de produits et influence de manière cruciale la réussite du projet.

Dans cet article, nous discutons de certains points critiques à prendre en compte lors du développement de moteurs d’imagerie et d’éclairage d’endoscopie par fluorescence à l’appui du travail de développement plus large nécessaire au lancement de votre produit. L'accent est mis sur le co-développement de moteurs d'éclairage et d'imagerie afin de positionner au mieux votre équipe de développement de produits pour réussir grâce à l'exécution et à l'atténuation des risques.

Les dimensions physiques du capteur de caméra et la taille de l'emballage éclairent la conception de l'objectif et les spécifications de l'enveloppe mécanique. (Image : FISBA)

Définition du produit

Les équipes doivent comprendre quelques exigences clés dès le départ avant de définir la portée des spécifications techniques :

• Indications cliniques

  Quelles affections et maladies seront-ils utilisés pour traiter ?

• Où votre appareil va-t-il être déployé ?

  Visez-vous un laparoscope rigide pour la chirurgie générale, un arthroscope étroitement confiné pour la chirurgie orthopédique, un endoscope luminal flexible ou autre chose ?

• Quelles distances de travail doivent être photographiées pendant les procédures ?

  Les utilisateurs réaliseront-ils une imagerie arthroscopique dans des espaces restreints ? Naviguer dans l'anatomie biliaire à l'aide d'un trocart ? Imager des structures luminales comme le tractus gastro-intestinal ou les poumons ?

• Quelles sont les attentes des utilisateurs en matière de performances du système d’imagerie ?

  S’attendent-ils à voir simultanément un contraste d’imagerie de lumière blanche et de fluorescence ? Quel est le flux de travail étape par étape pour trouver le produit idéal dans la pratique clinique ?

Une fois ces questions clés répondues, les spécifications détaillées seront ensuite abordées.

Sélection des fluorophores

Le fluorophore sélectionné définira la complexité des exigences de conception optique, les spécifications du filtre et le contraste du signal attendu. À son tour, cette décision dicte également les spécifications du moteur d’éclairage et du capteur d’image nécessaires pour un produit performant. Lors de l'évaluation des candidats fluorophores, tenez compte des éléments suivants :

• Indications approuvées et hors AMM dictera quand l'appareil peut être utile dans la pratique clinique.

• Plages de concentrations physiologiquement pertinentes établir des attentes en matière de contraste d'image et affiner les spécifications relatives aux caméras, aux objectifs et à la conception du moteur d'éclairage.

• Spectres d'excitation et d'émission de fluorescence guidera la conception de l'objectif, les composants du moteur d'éclairage et les spécifications des filtres.

• Efficacité quantique indique l'efficacité avec laquelle l'éclairage sera converti en photons fluorescents détectables, définissant les spécifications du moteur d'éclairage et d'imagerie.

• Photostabilité dicte la durée pendant laquelle un fluorophore peut être éclairé avant de perdre le signal et la luminosité du moteur d'éclairage.

• Taux de clairance physiologique définit les procédures de flux de travail qui informent sur la fonctionnalité de l'appareil.

Ces paramètres vous aideront à estimer et à modéliser la quantité de lumière que vous pouvez vous attendre à voir lors des procédures cliniques afin de définir les spécifications des composants nécessaires pour votre produit.

Sélection du capteur de caméra

Il existe des solutions partout où la lumière blanche est guidée vers une application via de fines fibres optiques. Les modules LED RVB permettent un indice de rendu des couleurs élevé et une flexibilité de température de couleur. (Image : FISBA)

Le format du produit, la qualité de l'image et les limites de détection dépendent fortement du capteur d'image. En fonction du fluorophore, de l'enveloppe mécanique souhaitée du produit et des spécifications de l'objectif d'imagerie, les options de capteur de votre appareil photo peuvent être restreintes.

De nombreuses équipes doivent choisir dès le début une architecture d'endoscope basée sur une puce sur pointe (COT) ou une lentille à tige. Les endoscopes COT ont tendance à utiliser des capteurs plus petits qui minimisent l'enveloppe mécanique et fonctionnent bien pour les applications flexibles d'endoscopie à lumière blanche. Les capteurs d'images COT ont tendance à sacrifier la fidélité spatiale et le contraste au profit de la taille et du coût, et peuvent donc avoir des difficultés avec des applications à haute sensibilité telles que la localisation de tumeurs. Les endoscopes à lentilles cylindriques de type Hopkins sont courants dans les laparoscopes et arthroscopes rigides. Ils comportent généralement une tête de caméra à usage persistant qui offre une flexibilité de spécification et une qualité d'image au détriment de la taille et du coût.

Les spécifications critiques à prendre en compte lors de la sélection de la caméra sont :

• Dimensions physiques du capteur de caméra et taille de l'emballage informe sur la conception des lentilles et les spécifications de l'enveloppe mécanique.

• Résolution native du capteur dicte les spécifications de traitement d'image et de systèmes embarqués nécessaires pour produire des images de haute qualité.

• Spécifications de plusieurs capteurs offrent la flexibilité de choisir séparément les capteurs optimaux pour la fluorescence et l'endoscopie à lumière blanche, si votre enveloppe mécanique le permet.

• Sensibilité spectrale des différents canaux de couleur — en particulier dans la bande d'émission spectrale de votre fluorophore — influencez les spécifications du moteur d'éclairage et de l'objectif d'imagerie de votre appareil.

• Efficacité quantique des capteurs informe le moteur d'éclairage, le traitement de l'image et les spécifications de l'objectif de votre produit.

• Plage dynamique dictera les limites de détection de fluorescence de vos produits et pilotera le moteur d'éclairage, la conception des lentilles, le traitement de l'image et les spécifications des systèmes embarqués.

• Profondeur de bits de l'image de sortie influence la sensibilité de l'image, les limites de détection, la complexité du traitement du signal d'image et les spécifications des systèmes embarqués.

• Performances en matière de bruit sombre et de bruit de lecture dicte les limites de détection des produits et influence le traitement de l'image, la visualisation et les spécifications des systèmes embarqués.

• Protocole d'interface électronique façonne la manière dont votre moteur de visualisation s'interfacera de manière stable avec le matériel de la caméra ?

• Spécification principale de l'angle du rayon sur certains capteurs d'image informera les spécifications de conception des objectifs qui ont un impact sur la qualité de l'image sur de larges plages de couleurs.

Les architectures avancées de capteurs d’images peuvent étendre les formats d’imagerie couleur RVB standard à d’autres bandes spectrales. Plutôt que de fournir des images RVB en lumière visible, ces capteurs utilisent des filtres de couleur spécialisés au niveau des pixels pour augmenter les images RVB avec des plages spectrales distinctes dans un boîtier à capteur unique. Bien que compliquant le flux de travail de traitement du signal d’image, ces capteurs offrent un ensemble matériel rationalisé à fabriquer. La sélection des fluorophores, la conception des lentilles et les spécifications du moteur d'éclairage détermineront si ces architectures de capteurs sont des options viables.

Conception et filtrage des objectifs

Les objectifs d'imagerie à faible f/# et optimisés chromatiquement maximiseront la détection du signal FI et offriront plus de flexibilité pour le traitement du signal d'image et le développement de systèmes embarqués. Cependant, cela s’accompagne souvent de champs de vision plus étroits et d’une profondeur de champ plus faible. Clarifier et hiérarchiser les besoins des utilisateurs dès le début du projet permettra de réduire les obstacles liés aux spécifications de performances matérielles.

La prise en compte des spécifications suivantes pour la conception de vos verres constitue un point de départ essentiel :

• Enveloppe mécanique du système définit les contraintes de taille autour de la conception de la lentille.

• Dimensions physiques du capteur de la caméra dictent la taille et la complexité de la conception optique.

• Dimensions en pixels du capteur de la caméra (pas, disposition) définit les spécifications de résolution d'image maximale utilisable pour une conception d'objectif donnée.

• Champ de vision influence la complexité de la conception des verres

• Direction de la vue influence la complexité de la conception des verres

• Profondeur de champ influence la sensibilité maximale de détection de fluorescence pour un système de lentilles donné et a un impact sur la qualité de l'image perçue

• Résolution spatiale impacte la qualité de l'image perçue.

• Plage de longueurs d'onde influence la complexité de la conception des lentilles.

• Angle principal maximal du rayon informe les spécifications de filtrage et les limites de détection.

• Distorsion impacte la qualité de l'image perçue.

• Uniformité/luminosité du champ d'image a un impact sur la limite de détection sur tout le champ de vision de l'appareil et a donc un impact sur la qualité de l'image perçue.

La prise en charge des fluorophores NIR comme ICG et CYTALUX nécessite des conceptions de lentilles plus complexes. Alternativement, la fluorescéine (un fluorophore jaune) assouplit ces exigences de conception de lentilles au détriment de la profondeur d'imagerie des tissus.

Le filtrage des couleurs et la qualité de l'image chromatique sont des défis avec les objectifs d'endoscope en raison de leur grand champ de vision, de leurs courtes distances focales effectives et des exigences de bande passante pour l'IF. Cela peut forcer des angles de rayon principaux plus élevés dans les conceptions de lentilles, ce qui a un impact négatif sur les performances de filtrage FI et la sensibilité de l'imagerie. Les principales spécifications d'angle de rayon sur les capteurs d'image contribuent à la précision des couleurs visibles, mais peuvent compromettre la sensibilité FI. Viser une conception d'objectif télécentrique côté image préservera les performances de filtrage et maximisera la sensibilité FI.

Spécifications du moteur d'éclairage

Les exigences d’éclairage sont cruciales pour le système d’imagerie par fluorescence. Les conceptions de moteurs d’éclairage se concentrent sur la fourniture des couleurs, des puissances optiques et de l’uniformité nécessaires pour générer des images FI utilisables. À mesure que les exigences en matière de champ de vision et de profondeur de champ augmentent, les spécifications de puissance et d’uniformité du moteur d’éclairage deviennent remises en question. Tenez compte des spécifications suivantes pour la conception de votre moteur d'éclairage :

• Plage de distance de travail de l'appareil dictera la plage de puissance nécessaire pour éclairer efficacement le champ de vision

• Le nombre de longueurs d'onde adressables indépendamment sera piloté par les propriétés des fluorophores sélectionnés et la méthode d'intégration de l'imagerie en lumière blanche. Chaque source de couleur nécessitera les spécifications suivantes :

  • La bande passante spectrale déterminera les spécifications du filtre et la sensibilité de la détection
  • La puissance optique utilisable détermine la quantité de puissance spécifiée nécessaire à partir d'une source lumineuse.
  • L'irradiation maximale et minimale de l'imagerie définit la sensibilité de l'imagerie et la sécurité thermique du produit

• Routage et sortie de l'éclairage définit la manière dont la lumière est transmise au champ de vision de l'appareil (par exemple, faisceau de fibres optiques, source sur pointe)

• Uniformité de l'éclairage améliore la qualité de l'image et la sensibilité de détection sur tout le champ de vision.

• Moteur d'éclairage laser ou LED dictera le niveau de surveillance réglementaire et d'étiquetage requis pour l'appareil.

• Contrôles de l'intensité lumineuse s'interfacera avec les systèmes embarqués et les pipelines de traitement d'images.

Garder ces considérations à l'esprit garantira que la conception matérielle donne un produit d'endoscope performant.

Considérations sur la vitesse d'imagerie

L’IF est intrinsèquement plus lente que l’endoscopie à lumière blanche conventionnelle en raison de ses faibles niveaux de lumière détectables. Lorsque les photons sont abondants (c'est-à-dire endoscopie en lumière blanche), l'ajustement du temps d'exposition, du gain de numérisation et de l'amélioration automatique de l'image contribuent à optimiser l'expérience utilisateur et les performances cliniques. Dans l'imagerie dépourvue de photons, la préservation de la qualité de l'image et des limites de détection repose davantage sur une conception de lentille rapide, des moteurs d'éclairage uniformes de haute puissance et un réglage délicat du traitement de l'image différemment de l'endoscopie en lumière blanche.

FI nécessite des temps d’exposition plus longs, ce qui ralentira les vitesses d’imagerie. Un gain de numérisation d'image peut être ajouté pour compenser cela, mais ajoutera intrinsèquement du bruit aux images de sortie, ce qui nécessitera des considérations en matière de traitement et de visualisation de l'image. Trouver l'équilibre entre la convivialité du produit et les spécifications techniques réalisables devient une collaboration délicate entre toutes les disciplines de votre équipe de développement.

Des exigences produit claires et bien définies constituent le début de tout effort de développement majeur. De nombreux outils existent désormais pour aider à évaluer les risques avant le début du prototypage des appareils testables. La simulation et le prototypage rapide sont des outils cruciaux pour débloquer des projets de développement technique FI complexes.

Simulations d'imagerie optique et numérique

Les progiciels de simulation optique permettent aux équipes de concevoir des systèmes de lentilles, de déterminer les spécifications du moteur d'éclairage, de modéliser les performances réalistes des capteurs d'image, de traiter les signaux d'image des prototypes et de tester les spécifications des composants avant la construction. Cela permet une collaboration interdisciplinaire entre les disciplines techniques pour réduire les risques techniques dès le début des projets de développement. Ansys, Synopsis, Lambda Research et d'autres proposent une suite complète d'outils pour concevoir et simuler en toute confiance des concepts de systèmes optiques dans siclico. Tirer le meilleur parti de votre travail de simulation repose sur l'expertise technique et la communication internes pour maximiser son utilité.

Prototypage rapide

Le prototypage rapide est tout aussi important que la réduction des risques via la simulation. Cela nécessite plus de ressources de développement et de fabrication, mais offre le moyen le plus concret de réduire les risques liés aux spécifications du produit avant de donner le feu vert à la conception et à la validation. Cela vous permet de répondre aux questions techniques sans réponse avant de trouver des ressources pour concevoir et piloter un prototype entièrement fonctionnel.

Les lentilles optiques peuvent être risquées à prototyper en petites quantités. Souvent, les ingénieurs optiques peuvent aider à réduire les risques liés aux concepts de conception avec des composants disponibles dans le commerce, qui facilitent le développement de systèmes de traitement d'image et de moteur d'éclairage avant de s'engager dans des productions pilotes de lentilles en volume. La clé est de donner la priorité à la réduction des risques en assouplissant méthodiquement les exigences des prototypes de produits afin de comprendre leurs limites.

L’objectif du prototypage rapide est d’atténuer les risques avant d’engager pleinement les ressources dans la conception du produit final. Des questions et des risques subsisteront mais débloqueront généralement le plan de lancement de votre produit.

Résumé

La spécification de vos moteurs d’imagerie et d’éclairage pose les bases du lancement d’un produit d’endoscope FI réussi. Ces moteurs sont profondément liés aux logiciels, aux systèmes embarqués, aux facteurs humains et à la conception industrielle qui permettent les lancements de produits. La prise en compte de ces spécifications interdisciplinaires est essentielle pour fournir un prototype de produit complet. Nous exposons les points critiques à prendre en compte lors du développement d’un produit d’endoscopie FI interdisciplinaire. Gardez ces points à l'esprit tout au long de votre projet pour garantir que votre produit ait une influence agréable et percutante sur le guidage chirurgical.

Cet article a été rédigé par Wilson Adams, consultant, FISBA Amérique du Nord (Saco, ME). Pour plus d'informations, visitez ici  .

Références

1. Hazel L Stewart et David J S Birch. Méthodes Appl. Fluorescent. 2021.
2. Pogue BW, Zhu TC, Ntziachristos V et al. Rapport du groupe de travail AAPM 311 : Orientations pour l'évaluation des performances des systèmes de chirurgie guidée par fluorescence. Médecine Phys. 2024.